網路程式設計中最小堆實現的定時器

在開發Linux網路程式時，通常需要維護多個定時器，如維護客戶端心跳時間、檢查多個數據包的超時重傳等。如果採用Linux的SIGALARM訊號實現，則會帶來較大的系統開銷，且不便於管理。

本文在應用層實現了一個基於時間堆的高效能定時器，同時考慮到定時的粒度問題，由於通過alarm系統呼叫設定的SIGALARM訊號只能以秒為單位觸發，因此需要採用其它手段實現更細粒度的定時操作，當然，這裡不考慮使用多執行緒+sleep的實現方法，理由效能太低。

通常的做法還有采用基於升序的時間連結串列，但升序時間連結串列的插入操作效率較低，需要遍歷連結串列。因此本實現方案使用最小堆來維護多個定時器，插入O(logn)、刪除O(1)、查詢O(1)的效率較高。

首先是每個定時器的定義：

class heap_timer
{
public:
heap_timer( int ms_delay )
{
gettimeofday( &expire, NULL );
expire.tv_usec += ms_delay * 1000;
if ( expire.tv_usec > 1000000 )
{
expire.tv_sec += expire.tv_usec / 1000000;
expire.tv_usec %= 1000000;
}
}
public:
struct timeval expire;
void (*cb_func)( client_data* );
client_data* user_data;
~heap_timer()
{
delete user_data;
}
};

包括一個超時時間expire、超時回撥函式cb_func以及一個user_data變數，user_data用於儲存與定時器相關的使用者資料，使用者資料可以根據不同的應用場合進行修改，這裡實現的是一個智慧博物館的閘道器，閘道器接收來自zigbee協調器的使用者資料，併為每個使用者維護一段等待時間T，在T到來之前，同一個使用者的所有資料都存放到user_data的target_list中，當T到來時，根據target_list列表選擇一個適當的target併發送到ip_address，同時刪除定時器（有點扯遠了=。=）。總之，要實現的功能就是給每個使用者維護一個定時器，定時值到來時做一些操作。

class client_data
{
public:
client_data(char *address):target_count(0)
{
strcpy(ip_address,address);
}
private:
char ip_address[32];
target target_list[64];
int target_count;
......
};

以下是時間堆的類定義，包括了一些基本的堆操作：插入、刪除、擴容，還包括了定時器溢位時的操作函式tick()

class time_heap
{
public:
time_heap( int cap = 1) throw ( std::exception )
: capacity( cap ), cur_size( 0 )
{
array = new heap_timer* [capacity];
if ( ! array )
{
throw std::exception();
}
for( int i = 0; i < capacity; ++i )
{
array[i] = NULL;
}
}
~time_heap()
{
for ( int i = 0; i < cur_size; ++i )
{
delete array[i];
}
delete [] array;
}
public:
int get_cursize()
{
return cur_size;
}
void add_timer( heap_timer* timer ) throw ( std::exception )
{
if( !timer )
{
return;
}
if( cur_size >= capacity )
{
resize();
}
int hole = cur_size++;
int parent = 0;
for( ; hole > 0; hole=parent )
{
parent = (hole-1)/2;
if ( timercmp( &(array[parent]->expire), &(timer->expire), <= ) )
{
break;
}
array[hole] = array[parent];
}
array[hole] = timer;
}
void del_timer( heap_timer* timer )
{
if( !timer )
{
return;
}
// lazy delelte
timer->cb_func = NULL;
}
int top(struct timeval &time_top) const
{
if ( empty() )
{
return 0;
}
time_top = array[0]->expire;
return 1;
}
void pop_timer()
{
if( empty() )
{
return;
}
if( array[0] )
{
delete array[0];
array[0] = array[--cur_size];
percolate_down( 0 );
}
}
void tick()
{
heap_timer* tmp = array[0];
struct timeval cur;
gettimeofday( &cur, NULL );
while( !empty() )
{
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